Vì sao nói plasma là trạng thái thứ tư của vật chất?

Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thông thường, vật chất mà chúng ta trông thấy bao giờ cũng xuất hiện dưới hình thức thể khí, thể lỏng, hoặc thể rắn. Nước là một ví dụ điển hình. Nó là thể lỏng. Ở nhiệt độ 0°C, nó biến thành thể rắn – băng. Còn ở nhiệt độ 100°C, nước lại biến đổi thành thể khí – hơi nước. Sự biến đổi qua lại giữa chúng với nhau xảy ra ở nhiệt độ và áp suất bình thường.

Nếu xem xét từ kết cấu vi mô của vật thể, chúng ta có thể dựa vào sự sắp xếp của các hạt tổ thành vật chất, như nguyên tử, phân tử và ion, có trật tự hay không để phân biệt ba trạng thái của vật chất. Hạt vật chất cấu tạo thành chất rắn sắp xếp thành những “ô mạng” ngay hàng thẳng lối. Mỗi một hạt ở trên góc đỉnh của “ô mạng” có hơi “nhấp nhỏm” một chút. Loại trạng thái này là trạng thái có trật tự nhất. Nếu tăng nhiệt độ chất rắn, các hạt ở trên góc đỉnh của “ô mạng” sau khi nhận được năng lượng từ bên ngoài, trở nên càng nhấp nhổm hơn, thậm chí bắt đầu bỏ chạy khỏi góc đỉnh. Thế là chất rắn liền biến thành chất lỏng có sự sắp xếp tương đối kém trật tự. Cũng như vậy, khi tiếp tục tăng nhiệt cho chất lỏng đến nhiệt độ nhất định, hầu như tất cả các hạt đều biến thành những hạt “tự do thoải mái”. Trật tự sắp xếp ban đầu không tồn tại nữa. Thế là xuất hiện trạng thái mất trật tự nhất, trạng thái chất khí – trạng thái thứ ba của vật chất.

Ở đây, tự nhiên có thể nêu ra một vấn đề: khi chúng ta tiếp tục tăng nhiệt cho chất khí thì liệu thể khí có chuyển hoá thành trạng thái mới hay không? Thực nghiệm chứng tỏ, khi nhiệt độ đạt vài ngàn độ Celsius trở lên, electron trong nguyên tử cũng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc của hạt nhân nguyên tử mà biến thành electron tự do. Còn nguyên tử thì do mất electron mà biến thành ion mang điện dương. Quá trình đó gọi là ion hoá. Chất khí sau khi ion hoá đã không còn là chất khí ban đầu nữa. Tuy chúng đều ở trong trạng thái trung hoà về điện, song ion hoá làm cho mức độ có trật tự của nguyên tử chất khí (mặc dầu loại có trật tự này kém so với chất rắn và chất lỏng) vốn trung tính lại bị phá hoại một lần nữa. Vả lại, sau khi ion hoá, thành phần cơ bản của chất khí là electron, ion và nguyên tử trung tính, vì vậy trạng thái này không thể quy vào ba trạng thái đã nêu ở trên, mà là trạng thái thứ tư của vật chất. Nó được gọi là plasma. Thông thường phân tử, nguyên tử trong chất khí không những tham gia chuyển động nhiệt loạn xạ lung tung, còn trong chất khí của plasma, electron còn có thể thể hiện ra một loại dao động qua lại tập thể, đặc biệt là khi đặt chất khí plasma trong từ trường, loại dao động này sẽ chịu sự chi phối và ảnh hưởng của từ trường. Những cái đó đều là sự khác biệt chủ yếu giữa chất khí plasma và chất khí thông thường.

Nhiệt độ gần Trái Đất tương đối thấp, không có điều kiện sinh ra plasma. Nhưng ở điều kiện riêng biệt nào đó, trên Trái Đất cũng có thể sinh ra plasma, như khi xảy ra sấm chớp mùa hè, chính là chất khí plasma sinh ra sau khi ion bị oxi hoá đã phát ra chớp loé; màu sắc đèn ống sặc sỡ nhiều màu trên đường phố cũng là do plasma sinh ra.

Hơn 99,9% vật chất trong Vũ Trụ ở vào trạng thái plasma, Mặt Trời là quả cầu lửa plasma nóng bỏng. Vì vậy, plasma lại là hình thái phổ biến của sự tồn tại vật chất, còn loài người lại gặp may sinh tồn trên Trái Đất vẻn vẹn chưa đến 0,1% của vùng khí plasma.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Hỏi đáp & Tư vấn © 2013 Hỏi đáp tư vấn